一种新型激光波长调制光谱干涉条纹抑制方法

技术领域

本发明属于光学探测领域，提出一种整数倍自由光谱范围内的实时干涉条纹噪声抑制方法，以消除干涉条纹噪声，获得更精确、更灵敏的测量结果。

背景技术

可调谐二极管激光吸收光谱法(Tunable Diode LaserAbsorptionSpectroscopy,TDLAS)具有高准确性、高灵敏度、动态实时对实验数据进行检测和自动校准等特点，使其成为大气中痕量气体监测最常用的方法。长光程的多通池主要是通过增加激光在腔体内反射次数来增加光程长度，由此提高痕量气体探测精度和灵敏度。激光在多通池内部多次反射过程中受到衍射、环境温度变化、凹面镜反射面变形和凹面镜反射膜缺陷等情况的影响产生光学干涉条纹，干涉条纹降低了TDLAS探测精度和灵敏度，从而使测量结果产生偏差。通过实验研究发现，在多通池中出现的干涉条纹主要是因为不同的激光束存在光程差。当光程差为整数倍波长时，在干涉条纹上将会呈现明纹，当光程差为奇数倍半波长时，将会呈现暗纹。当光程差在0到奇数半波长时，在不同的干涉亮度叠加后呈现在高反镜镜片上，进而影响探测信号的探测精度和灵敏度。目前从硬件和算法两方面抑制光学干涉条纹对痕量气体探测精度和灵敏度的影响。

防止干涉条纹的方法：使用布儒斯特窗片用来降低干涉条纹的影响，布儒斯特窗片是一种通过改变光程差来调制光强的光学元件，通过对布儒斯特窗片施加振动，可以使其周期性地改变光程差，从而减小光学干涉条纹的影响，将干涉条纹振幅变为原来幅值的1/30。缺点在于改变光学元件的位置或者使用布儒斯特窗片的振动只能降低光学干涉条纹的影响，无法完全抑制激光干涉条纹，对于一些严重的干涉条纹问题，降噪效果有限。

近年来，射频噪声扰动技术被用于降低干涉条纹噪声。然而，该方法需要花时间对信号进行多次平均，才能更好地抑制干涉条纹噪声。采用Savitzky-Golay滤波算法和经验模态分解(EMD)去除各种类型的噪声，但是EMD算法存在混叠模态和端点效应方面的问题。此外，EMD算法直接消除了高频固有模态函数，在重构后会导致信号失真。Savitzky-Golay滤波算法的最佳滤波参数难以确定，在使用过程中存在局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型激光波长调制光谱干涉条纹抑制方法，通过理论计算和实验证明了该方法可以有效消除干涉条纹噪声，通过研究最优的平均数据点数，提升痕量气体探测精度、灵敏度和信噪比。

本发明的主要优点在于：考虑到光学多通池输出信号中包含不同频率成分的光学干涉条纹，不同的光学干涉条纹所不仅具有相位差，而且具有不同的自由光谱范围，最终会导致不同的干涉条纹在自由光谱范围内所包含的数据点的数目也有所不同。为了减少复合干涉条纹对测量结果造成的影响，可以将不同自由光谱范围内数据点的公倍数作为平均数据点(即平均范围)，通过上述方法选择的平均数据点可以在完全消除光学干涉条纹对探测精度和灵敏度造成的影响。

具体地，为了完全消除干涉条纹噪声，本文提出了整数倍自由光谱范围内实时在线干涉条纹噪声抑制方法，以消除干涉条纹噪声，获得更精确、更灵敏的测量结果。本文除了详细介绍了新型干涉条纹抑制法，通过测量数据绘制了CH

具体地，在整数倍自由光谱范围内平均的干涉条纹噪声抑制方法的数学模型由下式表示:

具体地，对密集型多通池内部衍射、环境温度变化、凹面镜反射面变形和凹面镜反射膜缺陷等情况所产生光学干涉条纹，新型干涉条纹抑制法可以对其产生很好的抑制效果，并且提高痕量气体的探测精度。

具体地，新型干涉条纹抑制方法不仅可以处理单一频率的干涉条纹，也可以抑制多组不同频率干涉条纹耦合形成的干涉条纹。为了减少复合干涉条纹对测量结果造成的影响，可以将不同自由光谱范围内数据点的公倍数作为平均数据点，通过确定整数倍自由光谱范围内干涉条纹的平均数据点数，最大程度上消除光学干涉条纹对探测精度和灵敏度造成的影响。

具体地，新型光学条纹抑制法对不同相位(60°、120°、180°、240°、300°、360°)的单一频率的干涉条纹都可以有效的抑制。

本发明本文提出了一种新型激光波长调制光谱干涉条纹抑制方法，通过研究最优的平均数据点数，提升痕量气体探测精度、灵敏度和信噪比。通过实验发现相比较传统干涉条纹抑制方法，相比较传统二次谐波信号基线标准偏差0.019V和0.063V，新型干涉条纹抑制法得到的二次谐波信号基线标准偏差为0.003V和0.0066V，分别提高了6.33倍和9.55倍。新型干涉条纹抑制法的信噪比分别提高了4.24倍和6.48倍，探测灵敏度从3ppb降到0.78ppb，提高了3.8倍。探测精度从753ppb降到490ppb，提高了1.5倍。实验证明该新方法可以有效的抑制光学干涉条纹对测量结果的影响。

附图说明

图1为三种相位

图2为高反射率R＝0.992和低反射率R＝0.2不同相位的光谱范围进行平均曲线图；

图3为带有干涉条纹的二次谐波信号和新型干涉条纹抑制法的二次谐波信号曲线图(a)和目标痕量气体和二次谐波信号峰值的线性谱响应函数(b)；

图4为验证新型干涉条纹抑制方法的检测系统原理图；

图5为两组不同强度分别采用传统平均和新型抑制光学干涉条纹效果对比图；

图6为传统干涉条纹抑制法和新型干涉条纹抑制法的20ppmCH

图7为20ppmCH

图8为本发明所采用装置的整体示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

通过三种相移

其中，k代表自由光谱范围内干涉条纹数据点的数量，j表示光谱范围中第j个数据点，n(i)为第i个数据点所对应的干涉条纹幅值，n(j)为j个在整数倍自由光谱范围内的光学干涉条纹数据点的平均值，λ(i)为波数下限，λ(i+k-1)为波数上限。

图1中的不同干涉条纹具有相同的自由光谱范围，但是存在相位差(相位差分别为：

考虑到光学多通池输出信号中包含不同频率成分的光学干涉条纹，不同的光学干涉条纹所不仅具有相位差，而且具有不同的自由光谱范围，最终会导致不同的干涉条纹在自由光谱范围内所包含的数据点的数目也有所不同。为了减少复合干涉条纹对测量结果造成的影响，可以将不同自由光谱范围内数据点的公倍数作为平均数据点(即平均范围)，通过上述方法选择的平均数据点可以在完全消除光学干涉条纹对探测精度和灵敏度造成的影响。

最终选择的平均数据点个数为2k。通过理论分析与计算发现，使用新方法来抑制光学干涉条纹的过程中，如果光学干涉条纹的整数倍自由光谱范围超过二次谐波信号的半宽时，即平均数据点为3k,4k,5k，或者更宽的平均范围，将会导致二次谐波信号峰值畸变。为了消除低频干涉条纹处理时该方法对二次信号谐波峰值造成的畸变影响，可以通过调节实验光路，改变原有干涉条纹频率，将低频干涉条纹信号变为高频干涉条纹信号，减小其自由光谱范围，进而消除谐波信号峰值畸变或者通过增加二次谐波信号的调制幅度，使得二次谐波信号的半宽值大于整数倍自由光谱范围也可以消除峰值畸变。当平均数据点为2k时，光学干涉条纹抑制效果不仅要优于平均数据点k时的效果，因为更长的平均范围可以对系统随机噪声进行更有效的抑制，而且在峰值处不会发生凹形畸变，使信噪比最优。

从图2确定无论是高反射率R＝0.992，还是低反射率R＝0.2，只要平均光谱范围满足整数倍自由光谱范围的平均数据点，对于任意相移的

图3(a)中用蓝线表示被干涉条纹扭曲的CH

图3(b)表示采用新型干涉条纹抑制法和传统干涉条纹抑制方法作用下，不同痕量气体浓度与二次谐波信号峰值的函数关系。受干涉条纹影响的不同浓度二次谐波信号经过新型干涉条纹抑制法处理后，二次谐波信号的峰值随着痕量气体浓度变化关系依然是线性的。新型抑制法可以消除光学干涉条纹对二次谐波信号的干扰，同时信号峰值和痕量气体浓度仍然是线性关系。为了更好验证新型干涉条纹抑制法的有效性，将该方法应用于CH

为了验证新方法对光学干涉条纹的抑制效果，将该方法应用于CH

所研制的CH

激光束在密集型多通池内部反射84次后，从多通池的出射孔中射出，最终在凹面镜反射面呈现出7个相交圆的光斑图形，多通池有效光程为8.35m。因为光斑重叠，密集型多通池产生的光学干涉条纹更加严重。从多通池出射孔射出的激光束通过透镜汇聚到光电探测器(PDA20CS-EC,Thorlabs)，通过光电探测器将光信号转变为电信号后传输到锁相放大器(HealthyPhoton,HPLIA)，时间常数设定为1ms的锁相放大器以2f模式对信号进行解调，将解调信号在经过数据采集卡(NI USB-6009,National Instruments)采集，通过Labview程序在电脑上显示出采集到的二次谐波信号。

对两组具有不同强度干涉条纹的二次谐波信号分别采用新型干涉条纹抑制法和传统干涉条纹抑制法进行处理。如图5(a)和(b)所示，虽然新型干涉条纹抑制法的二次谐波信号吸收峰值从1.5V降低到1.03V和从1.6V降低到1.07V，但是新型干涉条纹抑制法相对传统干涉条纹抑制法的信噪比分别提高了4.24倍和6.48倍。

从图5(a)和(b)两组实验证明，新型干涉条纹抑制法对二次谐波信号中的光学干涉条纹存在明显的抑制效果。通过对比新型干涉条纹抑制法和传统干涉条纹抑制法的二次谐波信号，发现传统干涉条纹抑制法得到的二次谐波信号的基线标准偏差为0.019V和0.063V，新型干涉条纹抑制法的二次谐波信号的基线标准偏差为0.003V和0.0066V。观察图5，虽然新型干涉条纹抑制法的二次谐波信号吸收峰值从1.5V降低到1.03V和从1.6V降低到1.07V，但是新型干涉条纹抑制法相对传统干涉条纹抑制法的信噪比分别提高了4.24倍和6.48倍。从图5(a)和(b)两组实验证明，新型干涉条纹抑制法对二次谐波信号中的光学干涉条纹存在明显的抑制效果。对图5(a)和(b)两组实验数据进行相关性分析，在整数倍自由光谱范围内传统50次平均法与新型干涉条纹抑制法的最佳互相关系数为0.97。

为了验证新型干涉条纹抑制法长时间探测精度和灵敏度，对20ppm浓度的CH

图6显示，传统数据平均方法和新型干涉条纹抑制方法得到高斯曲线的半高半宽值分别为753ppb和490ppb，表明新型干涉条纹抑制方法使探测精度提高了1.5倍。

图7是通过Allan方差分析来验证痕量气体的探测灵敏度变化，通过连续长时间对原始信号和新型干涉条纹抑制方法信号进行连续采集，最终通过Allan方差分析在平均时间6.5s内得到探测灵敏度从3ppb提高到0.78ppb，探测灵敏度提高了3.85倍。

通过对新型干涉条纹抑制法的验证，发现该方法对光学干涉条纹抑制效果明显，不仅可以消除光学干涉条纹对谐波信号的干扰，同时谐波信号峰值浓度仍然是线性关系。

新型干涉条纹抑制法使得痕量气体的探测精度从753ppb提升到490ppb，探测灵敏度从3ppb提升到0.80ppb。通过对比传统干涉条纹抑制法和新型干涉条纹抑制法发现，两组实验二次谐波信号信噪比分别提高了4.24倍和6.48倍。由此证明在整数倍自由光谱范围内数据平均方法，对光学干涉条纹有明显的抑制能力。通过确定最优的自由光谱范围内光学干涉条纹平均数据点数，提升痕量气体探测精度、灵敏度和信噪比。对于20ppm浓度的单个二次谐波信号，该系统对应的归一化噪声等效吸收系数(NNEA)和噪声当量浓度(NEC)分别为6.13×10

图8为装置整体示意图，其中包括光电探测器、平面镜、光纤准直器、信号发生器、激光驱动程序、数据采集卡、锁定放大器以及屏幕。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。